Бортова обчислювальна машина міжпланетного корабля не повинна ламатися ні за яких умов, інакше станеться катастрофа. Як домогтися максимальної надійності?
Купуючи комп'ютер, ми хочемо, щоб він пропрацював без збоїв, як можна довше. Прикро, коли "здихає" нова машина, і майстри сервісного центру приймаються пояснювати щось про згорілий північний міст (прямо-таки фразеологізм із серії "спалювати за собою мости") і про вартість ремонту, порівнянну з вкладеними в покупку комп'ютера кровними. Залишається сподіватися на майстерність інженерів, які проектують комп'ютерні компоненти. Адже надійність купуються нами процесорів, материнських плат, жорстких дисків і решті комп'ютерної начинки не в останню чергу залежить від їх інженерної кмітливості.
Для обчислювальної техніки побутового призначення максимум екстремальних умов - це літня спека, котяча шерсть, застрягла в кулері системи охолодження, так пролита спросоння кави. Ну а якщо комп'ютер буде експлуатуватися в космосі? І від надійності його роботи залежить не тільки кінцева мета місії, що стоїть мільярди рублів, а й життя людей, які ризикнули кинути виклик суворих умов космосу?
А тепер уявімо, що інженери, які проектують комп'ютер, до ладу не знають, в яких умовах доведеться працювати машині. Як їм слід вчинити? Які конструктивні рішення використовувати?
Саме таке завдання отримали в кінці шістдесятих років фахівці науково-дослідного інституту електронних машин (НІІЕМ) - головного підприємства з розробки та виробництва бортових цифрових обчислювальних машин (БЦВМ), широко застосовувалися як у військовій області (автоматизовані системи управління боєм, системи топопривязки до місцевості) , так і на цивільному терені (системи управління повітряним рухом).
Створюючи "космічні обчислювачі", інженери НІІЕМ використовували кращі конструктивні напрацювання БЦВМ для наземних об'єктів, але при цьому проявили неабияку винахідливість, щоб їх дітища ніколи не знали такого стану, як відмова в ході експлуатації.
"Аргон" на борту. місія здійсненна
Космічна місія, для якої співробітники НІІЕМ створювали бортову ЕОМ, була вельми відповідальною. Апарати серії "Зонд", сконструйовані на основі пілотованого корабля "Союз 7К-Л1", повинні були дослідити можливість висадки на Місяці радянських космонавтів. Завдання це була політично важливою. Програма "Аполлон", відпрацьовує NASA з початку шістдесятих років, до 1968 року увійшла в стадію пілотованих польотів, і керівництво СРСР бажала утерти ніс потенційному супротивникові.
Космічні апарати серії "Зонд", що літали до Місяця, невипадково були засновані на пілотованих кораблях "Союз". На них одного разу повинні були відправитися і радянські космонавти.
Застосування в польотах подібного типу бортових ЕОМ було надзвичайно важливим. Політ складався з декількох фаз, у кожній з яких був потрібний точний розрахунок в реальному масштабі часу безлічі параметрів роботи систем корабля. Автоматика на основі програмно-тимчасових пристроїв (ПВУ) тут непридатна: аж надто непередбачувані умови польоту. А ось цифрова ЕОМ з її гнучкою програмованої логікою підходила для цих цілей ідеально. Тим більше що БЦВМ серії "Аргон-1", розроблені в НІІЕМ для мобільного оперативно-тактичного ракетного комплексу "Точка", довели свою ефективність в управлінні складними процесами.
Саме на базі "Аргон-1" і була створена перша обчислювальна машина космічного базування. БЦВМ "Аргон-11С" була призначена для управління рухом космічного корабля Л1 з серії "Зонд" при його обльоті Місяця і аеродинамічного спуску на Землю при входженні в атмосферу на другу космічну швидкість.
Місячні програми СРСР і США в той час йшли ніздря в ніздрю, і допустити будь-які помилки, тим більше з вини обчислювальної техніки, було немислимо.
Надійність системи управління при цьому ставилася на чільне місце. Звичайно, техніка військового призначення завжди відрізнялася високими показниками відмовостійкості, досягається за допомогою проектних, організаційних і технологічних заходів, а також жорсткої госпріёмкі. Однак у випадку з БЦВМ для місячної місії цих заходів явно було недостатньо. Розуміючи це, інженери НІІЕМ зробили "Аргон-11С". триголового. У буквальному сенсі цього слова.
В "Аргон-11С" вперше в практиці створення бортових ЕОМ була застосована схема резервування вузлів, яка іменувалася троірованной структурою з мажорітірованіем. За цим мудрованим назвою ховається елегантна за своєю ідеєю конструкція.
Ось він - космічний Горинич, бортова цифрова обчислювальна машина "Аргон-11С"
Структурно "Аргон-11С" складався з трьох однакових функціональних блоків, що працюють паралельно і незалежно один від одного. На входи кожного блоку (всього їх було 28) надходила зовсім однакова інформація від безлічі датчиків телеметрії. На її основі кожен блок виробляв більше сорока керуючих впливів.
І ось тут починалося найцікавіше. Кінцеві керуючі впливу формувалися за мажоритарним принципом. Тобто якщо на двох з трьох виходів вони були однакові, а на третьому відрізнялися, то за основу бралися значення, вироблені більшістю.
Мажоритарні логічні схеми відомі досить давно. Сигнал на їх виході залежить від однакових сигналів на більшості входів
Фактично в "Аргон-11С" постійно проходило голосування за найбільш правильне керуючий вплив. А щоб ви не подумали, що трійця обчислювальних блоків постійно прагнула організувати коаліцію проти меншості, знайте, що між їх вхідними та вихідними каналами були зв'язки, що дозволяють обмінюватися інформацією в разі, якщо вона в одному або декількох блоках спотворювалася.
Ще однією важливою особливістю "Аргон-11С" було застосування інтегральних схем. Спеціально для цієї серії фахівцями НІІЕМ спільно з інженерами науково-дослідного інституту точної технології НІІТТ були розроблені гібридні інтегральні схеми серії "Стежка" - фактично перші радянські інтегральні схеми.
Кожна інтегральна схема "Стежка" містила один логічний елемент на базі транзисторних-транзисторної логіки. В "Аргон-11С" таких інтегральних схем були сотні. (Ілюстрація з сайту 155la3.ru)
Конструктивно друковані плати зі схемами "Стежка" для кожного з трьох обчислювальних вузлів "Аргон-11С" збиралися в багатосторінкову "книжку", корінцем якої були шлейфи міжмодульних зв'язків. Вся ця "бібліотека" жорстко монтувалася на спеціальному шасі, яке охолоджувалося звичним для нас способом: за допомогою вентилятора. З урахуванням потрійного резервування маса БЦВМ в 34 кілограми не здається такою вже великою.
За нинішніми мірками обчислювальна потужність "Аргон-11С" - 200 тисяч операцій в секунду - сміховинна, розрядність чисел і команд (14 і 17 відповідно) викликає здивування, а обсяг оперативної пам'яті на феритових сердечниках (128 четирнадцатіразрядного слів) змушує задуматися: як в ній взагалі містилися якісь програми ?!
Пам'ять на феритових сердечниках була єдиним конструктивним рішенням для оперативного пам'яті до середини сімдесятих років.
Зате надійність цієї машини, офіційно зафіксована в її документації, приголомшує. Імовірність відсутності відмов у двох з трьох її модулів (а для голосування за більшістю потрібно мінімум два працездатних модуля) становить 0,999 протягом восьми діб польоту космічного апарату до Місяця і назад.
Конструкція троірованной схеми "Аргон-11С" була настільки вдалою, що в подальшому вона була повторена з БЦВМ "Аргон-16", яку сміливо можна назвати космічним довгожителем. Ця ЕОМ використовувалася в найрізноманітніших космічних апаратах більше 25 років! Близько трьохсот примірників "Аргон-16" працювали в "Союзах", транспортниках "Прогрес", орбітальних станціях "Салют" і "Мир". Повірте, для ЕОМ космічного базування це велика цифра.
В бортовий ЕОМ "Аргон-16" також була використана троірованная структура з мажоритарними зв'язками. Для перенесення цього девяностокілограммового "Горинича" до корпусу були прироблені спеціальні ручки.
Місце БЦВМ "Аргон-16" в схемі транспортного корабля постачання
Місячна програма СРСР зазнала фіаско, але дала потужний поштовх розвитку бортовий обчислювальної техніки космічного базування. Ті, що прийшли на зміну "Аргон" БЦВМ серії Ц, зокрема "С-530", з успіхом застосовувалися в системах управління міжпланетних станцій "Марс" і "Венера". З їх допомогою вперше в історії людства була виконана посадка космічного апарату на поверхню Марса, проведені дослідження комети "Вега" та радіолокація Венери.
"Триголового" бортових ЕОМ, реалізована в "Аргон-11С", і до цього дня - одна з основних конструктивних особливостей космічної обчислювальної техніки.